一種心電信號的降噪方法及裝置與流程
2023-06-04 03:24:31
本發明屬於信號處理領域，尤其涉及一種心電信號的降噪方法及裝置。
背景技術：
心電圖檢查是臨床上廣泛應用的器械檢查方法之一。心電圖不僅能夠直觀地反映檢查者的心臟健康，還能夠體現檢查者的情緒波動狀況。心電圖檢查以心電波形為基礎，故心電信號的質量尤為關鍵。
當前，由於可穿戴式心電檢測裝置的便攜性以及強大的數據收集能力，其在家庭保健中佔據了越來越重要的地位。用戶僅需穿戴該心電檢測裝置，即可以長時間地對自身的心電信號進行採集。然而，在使用穿戴式心電監測儀的過程中，常常會伴隨著用戶持續不斷地運動，從而導致電極脫落或不服貼等狀況，因此，採集得到的心電信號容易產生不穩定的現象，並伴隨有多種類型的噪聲，強烈的噪聲會影響用戶病情的診斷。
在穿戴式心電檢測裝置中，工頻噪聲和振環噪聲是心電信號噪聲的主要來源之一，基於小波變換的心電信號降噪方法擁有較好的降噪效果，但是對信號處理的計算量龐大，導致對系統性能的要求過高。
技術實現要素：
本發明實施例的目的在於提供一種心電信號的降噪方法及裝置，旨在解決現有心電信號的降噪方法中計算量龐大，對系統性能的要求過高的問題。
本發明實施例是這樣實現的，一種心電信號的降噪方法，包括：
根據預設的參數值，對第一濾波器進行初始化處理；
獲取心電信號；
構建所述心電信號的鏡像延拓信號；
將所述鏡像延拓信號輸入所述第一濾波器後，執行雙重雙邊濾波，以得到不包含工頻噪聲的第一濾波信號；
本發明實施例的另一目的在於提供一種心電信號的降噪裝置，包括：
初始化單元，用於根據預設的參數值，對第一濾波器進行初始化處理；
第一獲取單元，用於獲取心電信號；
構建單元，用於構建所述心電信號的鏡像延拓信號；
第一濾波單元，用於將所述鏡像延拓信號輸入所述第一濾波器後，執行雙重雙邊濾波，以得到不包含工頻噪聲的第一濾波信號。
本發明實施例中，只需將第一濾波器初始化，並將心電信號的鏡像延拓信號輸入第一濾波器，以進行雙重雙邊濾波處理，即可以將心電信號中的工頻噪聲去除，實現了心電信號的降噪。由於該方法步驟簡單，因此計算量較少，對系統性能的要求較低。該方法能夠被應用於各種心電儀之中，相對於原始心電信號來說，在一定程度上提升了心電信號的質量，得到了更好的心電圖成像效果，有利於硬體的實現。
附圖說明
圖1是本發明實施例提供的心電信號的降噪方法的實現流程圖；
圖2是本發明實施例提供的心電信號的降噪方法S101的具體實現流程圖；
圖3是本發明實施例提供的心電信號的降噪方法S104的具體實現流程圖；
圖4是本發明另一實施例提供的心電信號的降噪方法的實現流程圖；
圖5是本發明又一實施例提供的心電信號的降噪方法的實現流程圖；
圖6是本發明實施例提供的心電信號的降噪裝置的結構框圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明實施例提供的心電信號的降噪方法及裝置可以應用於集成了心電信號分析功能的終端設備中，包括心電監測儀、心電圖機以及可穿戴式心電檢測裝置等心電設備，進一步地，所述終端設備還可以包括顯示屏，用於根據獲取到的心電信號生成心電圖，並實現心電圖的展示功能。
圖1示出了本發明實施例提供的心電信號的降噪方法的實現流程，詳述如下：
在S101中，根據預設的參數值，對第一濾波器進行初始化處理。
應當注意的是，「第一」、「第二」以及「第三」僅為了區分不同的作用對象，便於用戶理解。
在本實施例中，濾波器主要為帶阻濾波器，其包括陷波器，用於在大量頻率分量通過該濾波器時，將某些範圍的頻率分量衰減到極低水平，從而濾除不需要的頻率分量，具有相對較大的阻帶範圍。
對第一濾波器進行初始化處理，表示在確認了一個固定的濾波器模型之後，選取適用於對心電信號進行降噪處理的模型參數，從而將參數調節後的濾波器模型應用於後續的降噪過程當中。
作為本發明的一個實施例，圖2示出了本發明實施例提供的心電信號的降噪方法S101的具體實現流程，詳述如下：
在S201中，獲取關於所述心電信號的採樣率。
心電設備每秒鐘採集心電信號電壓的點數即為採樣率。具體地，該採樣率為存儲採樣率，即存儲數據時候採用的採樣率大小。採樣率越高，採樣周期就越短，得到心電信號的誤差就越小，所採集到的心電數據就能更加精確地表示連續的心電波形形態，越接近檢查者的真實生理狀況。
若心電信號的採集過程與降噪過程在同一終端設備上完成，則在接收到用戶根據實際所需而調節的採樣率後，在對心電信號進行降噪處理的準備階段，可以直接讀取該採樣率的數值。
若心電信號的採集過程與降噪過程在不同的終端設備上完成，則降噪裝置在獲取心電信號的原始數據之前，先請求獲取信號採集裝置所設置的採樣率，以使該採集裝置將用戶所設置的採集率發送至降噪裝置。
通常情況下，該採樣率在128hz至1024hz之間。
在S202中，獲取預設的陷波頻率以及第一阻帶寬度。
第一濾波器的阻帶的上限頻率與阻帶的下限頻率之差為第一阻帶寬度。若心電信號的頻率分量屬於該阻帶寬度所表示的頻率範圍內或等於陷波頻率，則該頻率分量被濾除。
陷波頻率以及第一阻帶寬度同樣由用戶設定。優選地，為了去除工頻幹擾噪聲，陷波頻率預設為50hz。
在S203中，根據所述採樣率、所述陷波頻率以及所述第一阻帶寬度，計算原始濾波器中的各個參數，得到所述第一濾波器。
其中，所述原始濾波器為：
fs為所述採樣率，f0為所述陷波頻率，Δf為所述第一阻帶寬度。
濾波器的原始模型如上述所示，通過步驟S201至S202獲取到採樣率、陷波頻率以及第一阻帶寬度三個數值後，將該數值代入原始濾波器中。根據上述公式，得到包含具體參數值的第一濾波器。
在S102中，獲取心電信號。
本實施例中，心電信號可從多種途徑獲得。例如可以是，由其他終端設備採集得到心電信號或者採集得到關於心電信號的特徵數據後，通過有線或無線的方式傳輸至本降噪裝置中。
例如，還可以是，由本裝置直接採集心電信號、接收心電信號或根據特徵數據構建完整的心電信號。
在S103中，構建所述心電信號的鏡像延拓信號。
對於原始的心電信號，利用時間反向等方法可獲得其鏡像延拓信號。即，假設把心電信號對應的曲線描繪於x-y坐標系的y軸右側，則生成y軸左側的新坐標點，每一個新坐標點的橫坐標與心電信號的每個橫坐標互為相反數，且互為相反數的兩個橫坐標對應相同的縱坐標。從而使得心電信號在最後一個時間點對應的信號值，成為了其鏡像延拓信號的第一個值。將橫坐標取相反數後，得到描繪於x-y坐標系的y軸左側的鏡像對稱信號，將原始心電信號與該鏡像對稱信號疊加，成為所述鏡像延拓信號。因此，鏡像延拓信號在x軸上持續的時間長度將是原始心電信號的兩倍。
在S104中，將所述鏡像延拓信號輸入所述第一濾波器後，執行雙重雙邊濾波，以得到不包含工頻噪聲的第一濾波信號。
作為本發明的一個實施例，所述雙重雙向濾波表示需要執行兩次雙向濾波動作。如圖3所示，S104具體為：
在S301中，將所述鏡像延拓信號輸入所述第一濾波器後，執行正向濾波，得到第一正向濾波信號。
本實施例中，對鏡像延拓信號執行正向濾波，可看做是將該信號從左至右，即正向傳輸至第一濾波器所在的濾波電路中，依照時間順序，由該第一濾波電路來對鏡像延拓信號執行逐步濾波，從而將濾除後得到的信號作為第一正向濾波信號。
在S302中，對所述第一正向濾波信號執行反向濾波，得到第一反向濾波信號。
對第一正向濾波信號執行反向濾波的動作，可看做是將該信號從右至左，即反向傳輸至第一濾波器所在的濾波電路中，依照時間順序，由該第一濾波電路來對第一正向濾波信號執行逐步濾波，從而將濾除後得到的信號作為第一反向濾波信號。
由於第一濾波器可看做是一個因果系統，因此，該濾波過程中的同一個心跳脈衝信號，其造成的振環噪聲(ringing artifacts，RAs)會位於脈衝信號的兩側。
在S303中，將所述第一反向濾波信號迭代輸入所述第一濾波器，執行所述正向濾波，獲取第二正向濾波信號。
在S304中，對所述第二正向濾波信號執行所述反向濾波，得到所述不包含工頻噪聲PLI的第一濾波信號。
雙重雙向濾波處理後，第一濾波信號包含有效信號分量以及殘餘分量。其中，該殘餘分量將不再包含原始心電信號中的PLI，僅包含RAs以及位於阻帶內的寬帶噪聲。
本發明實施例中，只需將第一濾波器初始化，並將心電信號的鏡像延拓信號輸入第一濾波器，以進行雙重雙邊濾波處理，即可以將心電信號中的工頻噪聲去除，實現了心電信號的降噪。由於該方法步驟簡單，因此計算量較少，對系統性能的要求較低。該方法能夠被應用於各種心電儀之中，相對於原始心電信號來說，在一定程度上提升了心電信號的質量，得到了更好的心電圖成像效果。
作為本發明的另一實施例，如圖4所示，所述方法還包括：
在S401中，對所述第一濾波信號中殘餘分量的振環噪聲進行定位，所述殘餘分量中包含有多個心跳脈衝信號。
因第一濾波器濾波的作用，在每個心跳脈衝信號的其中一端，將會產生附加多餘的RAs。較強及重疊的RAs會干擾脈衝信號的檢測，因此，需要在心跳脈衝信號中將產生RAs的一端確定出來，以進行進一步地濾除。
本實施例對RAs進行定位的方法包含但不限於差分、低通濾波及閾值等方法。由於此類方法為本領域的技術人員所通用的方法，因此其具體實現原理不再贅述。
在S402中，根據所述定位，獲取每個所述心跳脈衝信號中未被所述振環噪聲所汙染的一端的係數。
若定位出的RAs位於心跳脈衝信號的右側，表示該心跳脈衝信號的右端已被RAs所汙染，其信號的另一端，即左端未被RAs所汙染。因此，獲取該心跳脈衝信號左端的係數。
在S403中，當所述係數大於預設的閾值時，從所述殘餘分量中濾除所述係數對應的一個所述心跳脈衝信號。
若該係數對應的值比在降噪裝置中的預設閾值要大，則表示該心跳脈衝信號屬於非有效信號，需要從得到的殘餘分量中將該信號消除，從而實現了對RAs的濾除。
若由於降噪裝置自身的暫態效應而造成第一濾波信號中有效信號分量的失真，且該失真僅持續於濾波完成之後的幾秒之內，則該失真效果也將會被一同處理。
在本實施例中，通過對第一濾波信號中攜帶的RAs進行定位，可以獲取出RAs相反側的脈衝係數，並在該係數大於預設閾值時，將該心電脈衝信號攜帶的RAs進行過濾，實現了對原始心電信號中振環噪聲的消除，進一步提高了心電信號的降噪效果，保證了最終顯示的心電信號能夠降低失真，更加符合了用戶實際的心電檢測狀況。
作為本發明的又一實施例，如圖5所示，所述方法還包括：
在S501中，獲取預設的第二阻帶寬度以及第三阻帶寬度。
第二阻帶寬度以及第三阻帶寬度的獲取原理與第一阻帶寬度相同，均由用戶設置在降噪裝置中。其區別在於，這三個阻帶寬度的數值不同。
在S502中，根據所述採樣率、所述陷波頻率、所述第二阻帶寬度以及所述第三阻帶寬度，分別計算所述原始濾波器中的各個參數，以獲得第二濾波器以及第三濾波器。
通過變更濾波器原始模型的參數，能夠獲得不同的濾波器。為了變更該參數值，通過以第二阻帶寬度以及第三阻帶寬度來分別替代第一阻帶寬度，並利用步驟S201和S202中獲取到的採樣率以及陷波頻率，將對應的數值代入原始濾波器中。根據上述濾波器的原型公式，得到包含不同參數值的第二濾波器和第三濾波器。
其中，第二阻帶寬度為一個相對較大的阻帶寬度值，該值具體為6hz以上；第三阻帶寬度為一個相對較小的阻帶寬度值，該值具體為6hz以下。
優選地，第二阻帶寬度的值為10hz，第三阻帶寬度的值為4hz。
在S503中，將所述第一濾波信號輸入所述第二濾波器後，執行所述雙重雙邊濾波，以得到第二濾波信號，所述第二濾波信號包括有效信號分量以及殘餘分量。
完成第一次迭代雙重雙邊濾波後，輸出的第二濾波信號的殘差部分中，僅包含了強度較大但持續時間較短的RAs。
在S504中，將所述第二濾波信號中的殘餘分量輸入所述第三濾波器後，執行所述雙重雙邊濾波，以得到第三濾波信號。
完成第二次迭代雙重雙邊濾波後，輸出的第三濾波信號中殘差部分所具有的噪聲強度比原始心電信號所具有的噪聲強度低了四個級別，且僅包含有強度較弱且持續時間較短的RAs。該RAs基本上達到了可被忽略不計的水平。因此，得到的最終輸出信號為具有良好降噪效果的心電信號，提升了心電信號的質量，得到了更好的心電圖成像效果，使得醫護人員能夠對心電檢查者作出更為正確的診斷結果。
當上述各個濾波器中的低通濾波係數設置為整數時，能夠同時消除PLI及RAs，是一個能夠實時進行的降噪過程，提高了心電信號降噪過程中的效率。
上述各個發明實施例提供的方法可以應用於穿戴式心電檢測裝置當中。作為本發明的一個實施示例，該穿戴式心電監測裝置具體如下：
採用基於高聚物織物電極替代傳統心電檢測裝置上的氯化銀電極，並將其縫製於用戶日常穿著的衣服當中。通過4.0版本的藍牙技術或藍牙低能耗技術，將採集得到的心電信號發送至智慧型手機等移動終端設備中，用以顯示原始的心電波形，並將心電信息轉發到雲端進行存儲、分析、反饋預警，從而對心電信號進行降噪處理。由此，保證了用戶能夠在舒適穿戴的情況下，在後臺對心電信號進行處理，提高了心電信號測量的準確性，更好地滿足多場景應用及個性化、精準化醫療需求。
特別地，該穿戴式心電檢測裝置使用磁鐵彈簧針做為電極連線的接插件，由於磁鐵具有較大的磁力，能夠把接口牢牢吸住，因此，即使用戶在穿戴使用心電檢測裝置時發生了任何運動，也能保證電極穩固地貼合、不掉落，從而使得採集到的心電信號更穩定、噪聲更少、信號質量更佳。
此外，該穿戴式心電檢測裝置還能是採用導電布製成的心電監測服。導電布能夠基于波峰形態來形成電極，增大了電極與皮膚之間的壓力，減小了接觸電阻，從而也得到了噪聲較少、質量更好的心電信號。
對應於本發明實施例所提供的心電信號的降噪方法，圖6示出了本發明實施例提供的心電信號的降噪裝置的結構框圖。為了便於說明，僅示出了與本實施例相關的部分。
參照圖6，該裝置包括：
初始化單元61，用於根據預設的參數值，對第一濾波器進行初始化處理。
第一獲取單元62，用於獲取心電信號。
構建單元63，用於構建所述心電信號的鏡像延拓信號。
第一濾波單元64，用於將所述鏡像延拓信號輸入所述第一濾波器後，執行雙重雙邊濾波，以得到不包含工頻噪聲的第一濾波信號。
可選地，所述初始化單元61包括：
第一獲取子單元，用於獲取關於所述心電信號的採樣率。
第二獲取子單元，用於獲取預設的陷波頻率以及第一阻帶寬度。
計算子單元，用於根據所述採樣率、所述陷波頻率以及所述第一阻帶寬度，計算原始濾波器中的各個參數，得到所述第一濾波器。
其中，所述原始濾波器為：
fs為所述採樣率，f0為所述陷波頻率，Δf為所述第一阻帶寬度。
可選地，所述裝置還包括：
第二獲取單元，用於獲取預設的第二阻帶寬度以及第三阻帶寬度。
計算單元，用於根據所述採樣率、所述陷波頻率、所述第二阻帶寬度以及所述第三阻帶寬度，分別重新計算所述原始濾波器中的各個參數，以獲得第二濾波器以及第三濾波器。
第二濾波單元，用於將所述第一濾波信號輸入所述第二濾波器後，執行所述雙重雙邊濾波，以得到第二濾波信號，所述第二濾波信號包括有效信號分量以及殘餘分量。
第三濾波單元，用於將所述第二濾波信號中的殘餘分量輸入所述第三濾波器後，執行所述雙重雙邊濾波，以得到第三濾波信號。
可選地，所述第一濾波單元64包括：
第一正向濾波子單元，用於將所述鏡像延拓信號輸入所述第一濾波器後，執行正向濾波，得到第一正向濾波信號。
第一反向濾波子單元，用於對所述第一正向濾波信號執行反向濾波，得到第一反向濾波信號。
第二正向濾波子單元，用於將所述第一反向濾波信號迭代輸入所述第一濾波器，執行所述正向濾波，獲取第二正向濾波信號。
第二反向濾波子單元，用於對所述第二正向濾波信號執行所述反向濾波，得到所述不包含工頻噪聲的第一濾波信號。
可選地，所述裝置還包括：
定位單元，用於對所述第一濾波信號中殘餘分量的振環噪聲進行定位，所述殘餘分量中包含有多個心跳脈衝信號。
第三獲取單元，用於根據所述定位，獲取每個所述心跳脈衝信號中未被所述振環噪聲所汙染的一端的係數。
消除單元，用於當所述係數大於預設的閾值時，從所述殘餘分量中濾除所述係數對應的一個所述心跳脈衝信號。
本發明實施例中，只需將第一濾波器初始化，並將心電信號的鏡像延拓信號輸入第一濾波器，以進行雙重雙邊濾波處理，即可以將心電信號中的工頻噪聲去除，實現了心電信號的降噪。由於該方法步驟簡單，因此計算量較少，對系統性能的要求較低。該方法能夠被應用於各種心電儀之中，相對於原始心電信號來說，在一定程度上提升了心電信號的質量，得到了更好的心電圖成像效果。
本領域普通技術人員可以意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬體、或者計算機軟體和電子硬體的結合來實現。這些功能究竟以硬體還是軟體方式來執行，取決於技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的範圍。
所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的系統、裝置和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。
在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的系統、裝置和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個系統，或一些特徵可以忽略，或不執行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。
所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現本實施例方案的目的。
另外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。
所述功能如果以軟體功能單元的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基於這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：U盤、移動硬碟、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應所述以權利要求的保護範圍為準。